[发明专利]运动视场下的单目视觉定位方法

说明书

本发明公开了一种在运动视场下的单目视觉定位方法，首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。本发明弥补了单目视觉的距离信息缺失的不足，实现了在摄像机随着移动机器人运动形成的运动视场环境下，仅依靠一个摄像机进行移动机器人自定位。

技术领域

本发明涉及一种在运动视场下的单目视觉定位方法，属于数字图像处理技术领域。

背景技术

由于机器视觉技术具有信息量大、灵活性高、成本低等优点，目前视觉定位技术已成为自主移动机器人的关键技术和研究热点。由于单目摄像机对于距离信息的缺失，近几年基于视觉路标的单目视觉定位技术进展缓慢，传统方法是固定摄像机，形成固定不变的视场环境，通过相机标定获得相机内外参数，从而通过成像模型进行坐标变换实现目标机器人的定位。在摄像机随着移动机器人运动的情况下，形成了运动的视场环境，在这种情况下传统的单目视觉定位技术由于距离信息缺失受到限制，虽然双目视觉定位技术和RGB-D摄像机的使用弥补了距离信息的缺失，但又造成了定位算法复杂，效率低下，拍照距离受限等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在运动视场下的单目视觉定位方法，主要涉及到了数字图像处理技术。

本发明的技术解决方案是：

一种在运动视场下的单目视觉定位方法，其特征是：首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。

具体方法包括下列步骤：

步骤1)首先对摄像机进行相机标定，获得相机的内部参数矩阵和畸变参数；

步骤2)利用步骤1)中的畸变参数对拍摄到的视觉路标图像进行畸变矫正，然后利用路标的轮廓结构检测路标，从而提取出路标图像；

步骤3)通过Hough变换算法和逆透视变换算法，对路标图像进行旋转和倾斜矫正，然后利用路标内部的弧角信息识别路标，获取路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息；

步骤4)在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系下的坐标；摄像机坐标系的Y轴与世界坐标系Y轴平行；

步骤5)利用中心点和任一角点在摄像机坐标系下的坐标和识别路标得到的世界坐标在两个坐标系下分别形成一个定位矢量，通过两个定位矢量向量积计算得到摄像机坐标系和世界坐标系的旋转关系；

步骤6)在三维定位模型中引入路标坐标系；路标坐标系和摄像机坐标系仅存在平移关系，不存在旋转关系，Y轴与世界坐标系Y轴平行，因此容易得到摄像机在路标坐标系下的坐标以及路标坐标系和世界坐标系的旋转和平移关系；最后通过矩阵变换即可得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的世界坐标。

摄像机水平安装在移动机器人上，并且可进行水平旋转。

在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系下的坐标。

利用路标轮廓结构检测路标，从而提取路标图像并且检测路标中心点和角点的图像坐标，然后识别路标获得路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息。